电化学二电子氧还原制备过氧化氢研究进展

利用电化学二电子氧还原(2e^-Oxygen Reduction Reaction,2e^-ORR)方法实现过氧化氢(H2O2)的分散式制备,被认为是具有广阔发展前景的技术之一。为实现高的氧还原活性和理想的H₂O₂选择性,设计高性能2e^-ORR电催化剂是该技术的核心关键。尽管现阶段发展的2e^-ORR催化剂已经取得了显著进展,但距离规模化应用仍存在很大的差距。基于此,本文综述了电化学二电子氧还原制备H₂O₂的最新研究进展,首先简要介绍了反应机理和评价方法,并根据机理分析了影响电催化性能的关键因素。随后围绕贵金属催化剂、碳基催化剂、单原子及分子催化剂的最新研究进展,阐述了提升催化剂活性与H₂O₂选择性的主要策略。最后,针对电化学二电子氧还原制备H₂O₂体系面临的关键问题和挑战,对该领域未来的发展趋势进行了展望。     

包覆型非贵金属氧还原催化剂的研究进展

燃料电池中广泛使用的铂基催化剂价格昂贵、储量低、容易失活,因此亟待开发廉价、高效非铂催化剂. 过渡金属(Fe、Co、Ni等)/杂原子共掺杂催化剂、杂原子掺杂（N、P、S、F等）碳材料以及碳材料包覆过渡金属复合物是目前发现的几类性能优异的非贵金属氧还原催化剂. 其中碳材料包覆过渡金属催化剂作为一类新型的高性能催化剂,对其研究还有待深入. 本文主要阐述了国内外在包覆型非贵金属氧还原催化剂方面的研究进展,从合成,性能,机理等方面对该类催化剂进行了总结,力求助益于该类催化剂的发展.     

铜基非贵金属氧还原电催化剂的研究进展

面对日益严重的全球能源危机,燃料电池作为一种清洁的能源转换装置在全世界范围内得到了广泛关注。燃料电池是一种能够使氢气、甲醇、甲酸和乙醇等小分子燃料和氧气发生氧化还原反应,并将其化学能转换为电能的新型装置。在燃料电池中,由于在阴极发生的氧气还原反应动力学速率缓慢而使得燃料电池的整体转换效率过低,目前商用的燃料电池一般采用贵金属铂作为催化剂来加速其反应。但由于铂的价格高昂且在反应过程中易被反应中间产物毒化而活性下降,使得燃料电池的整体成本过高,从而阻碍了燃料电池的实际商业化。为此,人们尝试利用非贵金属催化剂来替代铂基催化剂。找到一种廉价且高效的氧还原催化剂是目前燃料电池发展急需打破的瓶颈问题之一。近年来,人们发现铁、钴、锰等地表储量丰富的金属元素具有较高的氧还原催化活性。然而,作为一种最常见的金属元素,金属铜在氧还原催化剂方面研究较少。人们发现一些生物酶,如虫漆酶、细胞色素c氧化酶等能够高效地催化氧气还原,如虫漆酶在催化氧还原过程中仅表现出约20 mV的过电位,与金属铂(约200 mV)相比基本可忽略。通过研究这些活性生物酶,人们发现其活性中心均为含Cu的物质。进一步研究这些生物酶的活性位点,然后合成不同的铜基纳米材料去模拟酶的活性位点,以期望能够实现经济、高效催化氧还原反应。
　　本文总结了基于铜的纳米材料在催化氧还原方面的研究进展,首先介绍了一些氧还原实验测试中的基本概念,主要包括不同电解质条件下氧还原的反应机理以及常用的测试手段和性能评价指标。氧还原催化剂的性能应该综合活性、稳定性、抗毒化能力以及催化剂成本等多个方面来评价与比较。随后,我们概括性地介绍了铜基氧还原催化剂的发展现状。根据铜基催化剂的不同类型,我们主要分为三个部分进行介绍：(1)铜的复合物,这部分主要从模拟虫漆酶和模拟细胞色素c氧化酶两个方面分类介绍;(2)铜的化合物,这部分主要介绍了不同价态的铜的氧化物和铜的硫化物;(3)其它铜基催化剂,这部分主要介绍基于铜的尖晶石结构、有机框架材料及载体负载的铜纳米粒子作为氧还原催化剂,以及铜作为掺杂元素在提高锰的不同氧化物催化活性中的作用。最后,通过综合分析铜基氧还原催化剂的发展历程以及目前燃料电池的研究进展,我们对基于铜的氧还原催化剂的未来发展方向做了一些展望。继续研究、探索酶的氧还原活性位点以及机理依然是重中之重,只有完全理解了酶的催化机理,才能够很好的设计并合成材料来对其活性位点进行模拟,从而制备出高性能且低成本的铜基氧还原催化剂。希望本文能够使读者认识到燃料电池氧还原催化剂的发展现况,以及铜基氧还原催化剂目前存在的问题及其未来的发展方向。     

碱性介质中非贵金属氧还原催化剂的结构调控进展（英文）

碱性介质中的氧还原反应是金属-空气电池和阴离子交换膜燃料电池的重要电化学过程。但是,其动力学缓慢,因而引起了对高效电催化剂的广泛研究。其中,非贵金属催化剂可有效地规避铂基催化剂成本和储量的问题,而备受关注。但其挑战在于将性能提高到可与Pt基催化材料媲美。鉴于非贵金属催化剂的组成和结构对催化性能有着至关重要的影响,精准地调控催化剂的结构有望消除非贵金属催化剂和商业铂基催化剂的活性差距。在该评述中,我们致力于总结通过结构调控来提升性能的研究进展。我们首先介绍了四种极具代表性的非贵金属催化剂,包括非金属碳基材料、金属化合物、石墨化碳层包覆金属颗粒、原子分散的金属-氮-碳材料,突出了催化活性位点和催化机理。随后,针对于这些催化剂,我们归纳了从微纳尺度到原子层面的结构调控策略,如分级多孔结构的设计、界面工程、缺陷工程以及原子对活性位点的构建。我们着重讨论了结构和性能之间的依赖关系。从加速传质、增加可及的活性位点数量、可调控的电子状态和多组分之间的协同效应,讨论了这些结构变化引起的活性改进的起源。最后,我们对该领域存在的挑战以及未来的前景进行了展望。     

碳基非贵金属氧还原电催化剂的活性位结构研究进展

以热解型Fe/N/C为代表的碳基非贵金属材料被认为是当前最具潜力替代铂的非贵金属氧还原催化剂,其综合性能的进一步突破,对于推动质子交换膜燃料电池商业化应用具有重要意义。对热解型Fe/N/C催化剂活性位结构的深入认识是实现催化剂高活性位密度和高稳定性理性设计的关键。本文总结了热解型Fe/N/C活性位的研究进展,重点介绍了非晶态铁氮配位活性中心、氮掺杂和碳缺陷三类活性位构型。由于热解型Fe/N/C是非均相的,结构非常复杂,导致在活性位认识上还存在诸多争议,本文总结阐述了活性位结构的不同观点。最后,我们展望了Fe/N/C催化剂活性位研究的未来方向。     

非贵金属氧还原催化剂的研究进展

开发可替代铂的非贵金属催化剂是今后燃料电池催化剂的重要发展方向,本文结合课题组研究的工作,总结了近年来非贵金属在氧还原催化方面的研究进展。并着重从材料合成和机理两个方面分析了目前在开发过渡金属氧化物、含过渡金属的氮掺杂碳材料和杂原子掺碳材料中存在的问题,提出了这些非金属催化剂今后的研究重点和努力方向。     

中空贵金属纳米材料氧还原催化的研究进展（英文）

中空纳米结构具有比表面积大、传质可控和活性位点明确等优势,其结构设计与电催化应用在能源转化与储存领域引起了广泛关注.特别是中空贵金属纳米材料用于氧还原催化时,中空内腔引入到贵金属纳米结构,不仅暴露更多的活性位点,还能减少贵金属的用量,这将为贵金属催化剂的大规模应用提供一个理想的研发平台.本文综合评述了近年来中空贵金属的合成策略及其氧还原催化应用.首先,回顾了中空贵金属在氧还原催化剂研制中的优势与意义;然后,介绍了近期关于中空贵金属的制备策略(硬模板法、软模板法、自模板和无模板法等)及其优势;最后,分析了中空贵金属在氧还原领域所面临的挑战,并对其设计进行了展望.     

基于血红素衍生的中空非贵金属催化剂氧还原反应电催化活性

血红素作为一种天然金属大环化合物常被用于制备非贵金属电催化剂用于燃料电池阴极的氧还原反应,但是其电催化活性仍有待提升。本文以氯化钠作为模板设计合成了一种中空的铁基非贵金属电催化剂Hemin-HD(Hemin hollow derivative),在碱性介质中该催化剂可以高效地催化氧还原反应。结合透射电镜、X射线衍射、比表面积分析和X射线光电子能谱等物理化学表征可知,与无模板制备的电催化剂Hemin-D(Hemin derivative)相比,Hemin-HD电催化剂比表面积提升了6.5倍,孔容积增加了3.8倍。这主要是由于该电催化剂中空结构的设计使得催化活性位可以同时分散在内表面和外表面,比表面积的增加加强了活性位点的暴露,提高了活性位点密度。此外,Hemin-HD电催化剂中的孔道结构可以有效地改善氧气传质速率,加强活性位点与反应物之间的接触,从而有效提高催化剂的氧还原活性。     

基于超重力技术开展Co-N-CNTs催化剂制备及其氧还原性能的研究

开发高效的非贵金属氧还原(ORR)催化剂是促进燃料电池商业化进程的关键。本研究利用超重力技术制备了一种优良的非贵金属ORR催化剂Co-N-CNTs。物理表征表明,通过超重力技术可以使作为活性位点的金属Co纳米颗粒均匀分布在Co-N-CNTs催化剂表面,X射线光电子能谱(XPS)揭示Co-N-CNTs催化剂中的N元素不仅可以和碳纳米管(CNTs)中的C元素形成吡咯氮和石墨氮,还可以形成具有更高氧还原活性的吡啶氮结构。电化学测试结果表明,通过超重力技术制备的Co-N-CNTs催化剂的起始电位和半波电位与商业Pt/C催化剂相当;而且,Co-N-CNTs催化剂展现出优良的抗甲醇性能。     

质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-Nx/C型氧还原催化剂研究进展

氧还原反应(ORR)是燃料电池能量转换的关键步骤,开发高性能低成本的催化剂以替代铂族贵金属是推动燃料电池商业化的重要途径。本文综述了质子交换膜燃料电池非贵金属M-N_x/C型催化剂的最新研究进展,概括了氧还原反应的基础理论,系统展示了先进表征技术对活性位点鉴定和反应机理研究的作用,总结了M-N_x/C型催化剂近年来的代表工作和活性突破,阐述了稳定性问题的根源及对应的方案策略,我们认为M-N_x/C型催化剂未来的发展方向是理性设计具高位点密度和高稳定性的催化剂。     

氧还原电化学催化剂研究的最新进展

燃料电池可以在接近室温条件下将氢或烃类中蕴含的巨大化学能通过电化学途径直接转化为清洁、稳定、可持续的电能,因而被视为极有前景的、能够满足日益增长的世界能源需求的终极解决方案之一.在一个典型的氢燃料电池中,氢在正极氧化而氧在负极还原,从动力学角度说,氧还原反应(ORR)比氢氧化反应进行的慢得多.无论是在酸性还是碱性条件下,氧的还原都可以一个四电子过程或是两个双电子过程进行,当然在酸性和碱性环境中反应的机理不同.铂一直是最有效的ORR催化剂,但受到价格昂贵、稳定性差和易中毒等因素的制约,目前非铂催化剂成为越来越引人瞩目的发展方向.本综述试图从分子催化剂、金属纳米材料催化剂、金属氧化物催化剂和新兴的二维材料催化剂等方面,选取近十年来最能代表ORR电化学催化剂方面成就的例子分析其优缺点,并为今后该领域的研究提供一些有益的思路.典型的分子催化剂是卟啉类化合物,当这种四齿的N4配体与过渡金属特别是铁、钴络合时,往往显示出良好的ORR催化性能,多数情况下其中的过渡金属中心、配体和碳支撑体系共同组成催化剂的活性中心.在另一些报道中,邻菲罗啉或是连吡啶型N2化合物也可以作为配体使用.第四和第五副族的很多金属形成的不同价态的氧化物都具有氧还原活性,比如MnOx,CoOx,TiOx,ZrOx,IrOx等.金属氧化物表现出易于修饰,不容易团聚和抗腐蚀等诸多优点,而其良好的ORR性能与表面的缺陷密切相关,因此钙钛矿型氧化物ABOx也引起人们的广泛关注,人们可以通过调节氧化物的晶型、尺寸和组成来获得更好的催化性能.近年来随着液相合成技术的发展,人们可以制备出理想形状和尺寸的单分散纳米粒子,然后通过旋涂、自组装等手段将其修饰到合适的电极上以获得增强性能的ORR催化剂.通过形状与尺寸调控,或组合成其它复杂的纳米结构,都有可能提高催化活性或是稳定性,因此有关纳米催化剂的研究日趋增多.在此基础上,考虑到石墨烯的可修饰性和良好的电化学性能,纳米材料复合石墨烯所形成的二维或三维结构也可提供很好的氧还原催化性能,而MoS2代替石墨烯作为支撑物所构成的二维催化剂也是值得注意的研究方向.综上所述,尽管现有的非铂催化剂仍难以完全满足商业化的要求,设计理念和合成方法的快速发展有望在不远的将来解决这一难题.而设计合成可控尺寸、形状、组成和表面形貌的纳米催化剂在很大程度上将加速这一进程.     

氧还原碳基非贵金属电催化剂研究进展

质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的能量转换装置,具有环境友好、能量密度高、转化效率高等优点,能够应用于便携能源及燃料电池电动车领域.但燃料电池阴极氧还原需要大量的铂基催化剂,铂价格昂贵、储量有限、易中毒的缺点限制了它的实际应用.因此,开发低成本、高活性、高稳定性的阴极非贵金属催化剂将能够显著推动质子交换膜燃料电池的大规模商业化应用.其中碳基非贵金属催化剂作为最有可能替代铂的氧还原催化剂,引起了广泛的研究.基于此,本文首先简单介绍了氧还原的机理;其次将碳基非贵金属催化剂分为过渡金属氮碳催化剂和非金属掺杂碳催化剂,对它们在材料制备和活性中心的研究进行了总结和讨论;最后,报道了碳基非贵金属催化剂在质子交换膜燃料电池单电池中的应用进展.     

富氧条件下贵金属催化剂上丙烯选择性还原NO研究

用溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备了以γ-Al₂O₃为载体,以Pt,Pd和Rh等为活性组分的单组分及双组分催化剂,在稀燃汽油机条件下评价了丙烯对NO的选择性催化还原活性.结果表明,在单组分催化剂中,催化剂的活性及顺序为Rh(73%)>Pt(65%)>Pd(47%),最高活性对应的温度分别为Pt(225℃),Pd(275℃)和Rh(375℃),N₂选择性顺序为Rh,Pd(>80%)>Pt(48%),氧化性顺序为Pt>Rh>Pd.Sol-gel制备的双组分催化剂中的不同贵金属活性位具有一定的协同效应,可明显拓宽活性温度范围,其中以Pt-Rh组合活性最好.Rh/Al₂O₃和Pt/Al₂O₃两种催化剂分层有序填装时,可提高C₃H₆的利用率,在200～450℃范围内,可有效地催化净化NO.     

石墨烯衍生物负载的纳米催化剂用于氧还原反应

综述了用于燃料电池中氧还原反应(ORR)的石墨烯衍生物负载的各种纳米催化剂的最新进展。介绍了用于表征石墨烯基电催化剂的常规电化学技术以及石墨烯基电催化剂最新的研究进展。负载于还原氧化石墨烯(RGO)上的Pt催化剂的电化学活性和稳定性均得到显著提高。其它贵金属催化剂,如Pd, Au和Ag也表现出较高的催化活性。当以RGO或少层石墨烯为载体时, Pd催化剂的稳定性提高。讨论了氧化石墨烯负载Au或Ag催化剂的合成方法。另外,以N4螯合络合物形式存在的非贵过渡金属可降低氧的电化学性能。 Fe和Co是可替代的廉价ORR催化剂。在大多数情况下,这些催化剂稳定性和耐受性的问题均可得到解决,但其整体性能还很难超越Pt/C催化剂。     

燃料电池非铂基氧还原电催化剂的最新研究进展

目前,燃料电池中广泛使用的Pt基阴极催化剂价格昂贵、资源缺乏,且易中毒,故急需开发廉价、耐用、高效和高耐醇的非铂基阴极氧还原催化剂. 本文阐述了国内外在非铂氧还原催化剂方面的研究,并着重介绍了作者课题组的最新研究进展. 主要集中在非贵金属（Fe）负载和杂原子（F）掺杂的非金属催化剂,力求原料廉价并可提高催化剂的催化活性、稳定性、抗毒化能力,实现较高的性价比. 同时通过理论计算解释了氟单掺杂和氮氟共掺杂高效性的根源,为设计高效催化剂提供了有力的理论支持.     

非Pt基催化剂在质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应中的研究进展

对绿色、高效能源储存装置日趋强烈的需求,使得用于清洁能源转换的先进技术获得了研究者的密切关注。具有环境友好、高能量转换效率等优势的燃料电池是传统能源转换装置极具希望的替代品。然而,工业催化界中商业化程度高的Pt体系催化剂存在成本高、稳定性差和抗毒化能力弱等问题,限制了燃料电池的进一步发展。开发储量丰富、成本低廉且性能优异的非Pt体系氧还原（ORR）催化剂是降低燃料电池成本,促进其大规模应用的有效途径。对此,结合近10年来国内外研究成果,系统介绍了当前各类非Pt体系ORR催化剂的研究进展,包括非贵金属基以及非金属基催化剂。同时,针对各类催化剂的优点、不足及改性策略进行了归纳与总结,并对未来ORR电催化剂的发展提出挑战、做出展望。     

以金属有机骨架为前驱体的高活性氧还原非贵金属催化剂制备

The development of a non‐precious metal electrocatalyst (NPME) with a performance superior to commercial Pt/C for the oxygen reduction reaction (ORR) is important for the commercialization of fuel cells. We report the synthesis of a NPME by heat‐treating Co‐based metal organic frameworks (ZIF‐67) with a small average size of 44 nm. The electrocatalyst pyrolyzed at 600 °C showed the best performance and the performance was enhanced when it was supported on BP 2000. The resulting electrocatalyst was composed of 10 nm Co nanoparticles coated by 3–12 layers of N doped graphite layers which as a whole was embedded in a carbon matrix. The ORR performance of the electrocatalyst was tested by rotating disk electrode tests in O2‐saturated 0.1 mol/L KOH under ambient conditions. The electrocatalyst (1.0 mg/cm2) showed an onset potential of 1.017 V (vs. RHE) and a half‐wave potential of 0.857 V (vs. RHE), which showed it was as good as the commer‐cial Pt/C (20μgPt/cm2). Furthermore, the electrocatalyst possessed much better stability and re‐sistance to methanol crossover than Pt/C.     

单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控

氧还原反应(ORR)在电化学能量存储和转换系统以及精细化学制剂的清洁合成中发挥着重要作用. 然而, ORR过程的动力学极其缓慢, 需要使用铂族贵金属催化剂加快其反应动力学速率. 铂基催化剂的高成本严重阻碍了其大规模的商业化. 由于单原子催化剂(SACs)具有结构明确、 本征活性高和原子效率高的特点, 有望取代昂贵的铂族贵金属催化剂. 迄今, 在进一步提高SACs的ORR活性方面已有大量的研究报道, 包括定制金属中心的配位结构、 丰富金属中心的浓度以及设计衬底的电子结构和孔隙率等. 本文综合评述了近年来SACs在ORR性能以及与ORR相关的H₂O₂生产、 金属-空气电池和低温燃料电池等方面的应用研究进展. 总结了通过引入其它金属或配体来调整孤立金属中心的配位结构、 通过增加金属负载来增加单原子位点的浓度以及通过优化载体的孔隙度来优化催化性能和电子传输等方面的研究进展, 并对SCAs的未来发展方向和面临的挑战提出了展望.     

热解二氧化钛/聚苯胺制备高效非贵金属氧还原电催化剂

为了克服传统Pt系催化剂价格昂贵、稳定性差的缺点,采用热解新型Ti O2/聚苯胺(PANI)复合物的方法合成了Ti O2/C催化剂.用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱、透射电子显微镜、循环伏安法和线性扫描伏安法等方法研究了热处理和PANI复合比例对复合物的形貌、成键、晶相组成及氧还原性能的影响.结果表明,PANI与Ti O2间存在相互作用,可以抑制Ti O2的团聚和锐钛矿向金红石的转变.热处理制得Ti O2/C的氧还原活性随着PANI载体含量增加先升高后降低,PANI和Ti O2质量比为35/100时,催化剂的氧还原活性最高.同时,循环伏安和时间-电流曲线测试表明,已制备的复合材料在催化氧还原反应进行时具有较好的稳定性.